架空輸電線路接地雜散電流及電磁干擾研究

高曉東，安韻竹，畢 斌，韓正新，咸日常，呂守國

(1.國網山東省電力公司 檢修公司，山東 濟南 250118；2.山東理工大學 電氣與電子工程學院，山東 淄博 255049)

我國輸電線路架設走廊占地面積較大，電力和石油天然氣兩大行業在工程建設選擇傳輸路徑時秉承相近的擇優原則，不可避免地造成了架空線路沿途與油氣管道時有臨近和交叉。由于輸電線路與油氣管道間存在電磁耦合，輸電線路運行過程中必然會在油氣管道上產生感應電壓和感應電流。這種感應電壓和感應電流不僅能加速埋地金屬管道的腐蝕，還可能威脅管道操作人員的人身安全。因此，有必要研究架空線路雜散電流對埋地金屬管道的電磁干擾問題。

早在20世紀初，國外學者就開始研究電力線路對金屬管線的電磁干擾問題。加拿大SES公司的Dawalibi博士在電磁干擾理論研究上的突破，實現了埋地導體感應電流的準確計算[1-3]。隨后，一些國家根據相關理論研究成果和工程應用經驗制定了相關的安全限值標準[4-6]。國內對于輸電線路-油氣管道電磁干擾的研究起步較晚，目前對電磁干擾的理論計算、工程實際應用、現場測量和相關安全限值等方面也開展了許多研究并取得了重大進展[7-11]。曹方圓等[12]基于管道-大地回路傳輸線模型推導了不同情況下輸電線路在埋地管道上產生感性耦合電壓的解析表達式，提出了管道飽和平行長度的概念，之后張波等[13]提出了最大管道金屬電位的計算公式及相應的約束條件。王新華等[14]以750 kV高壓交流輸電線路工程為例，通過仿真、室內實驗和現場測試研究了埋地管道的電磁干擾規律。郭劍等[15]以金中直流工程為依托，分析了輸電線路-油氣管道兩處平行和交叉地點電磁干擾程度，并對電磁干擾超出限值的部分提出了設計建議。白峰等[16]研究了1 000 kV單回輸電線路以及同塔雙回輸電線路與管道防護間距，為工程施工提供了參考。

為了研究正常運行狀態下500 kV架空線路雜散電流對埋地金屬管道的電磁干擾，本文通過加拿大SES公司研發的專業電磁場仿真軟件CDEGS(Current Distribution Electromagnetic Fields Grounding and Soil Structure Analysis)，搭建500 kV輸電線路與油氣管道交叉跨越計算模型，對比分析了管道交叉跨越長度、交叉夾角、土壤電阻率和土壤結構、導線平均高度、導線負荷電流、管道防腐涂層及接地裝置對埋地金屬管道電磁干擾的影響，并結合相關標準給出施工建議。

1 500 kV線路-油氣管道交叉跨越模型參數

1.1 500 kV輸電線路模型參數

500 kV單回輸電線路采用三相五線制，地線型號為OPGW-150，計算外徑為15.75 mm；導線型號為JL/LB20A-630/45，鋼芯鋁絞線，相導線分裂數為4，計算外徑34.6 mm。導線對地高度設置為H1，相鄰兩相之間的水平距離設置為d1，架空地線對地高度設置為H2，地線之間水平距離設置為d2。如若沒有特別指定，取H1=28 m，H2=35 m，d1=11.8 m，d2=15.46 m，運行電流設置為1 400 A。桿塔結構示意如圖1所示。

圖1 輸電線路桿塔結構示意圖Fig.1 Diagram of transmission line tower

1.2 油氣管道模型參數

典型油氣管道結構參數見表1。油氣管道選取直徑φ1 016 mm的低碳鋼，壁厚為18.4 mm，其相對電阻率取10，相對磁導率為300，管道埋深2.0 m，防腐層類型選擇為3層PE結構，防腐層厚度統一設定為3 mm，防腐層電阻率默認選擇105Ω·m。

表1 油氣管道結構參數Tab.1 Structural parameters of oil and gas pipelines

1.3 輸電線路與油氣管道交叉電磁干擾計算模型

實際輸電線路與油氣管道交叉電磁干擾計算模型如圖2所示。圖2中，L1表示正常運行時管道-線路交叉穿越模型設置的輸電線路總長度，其中線路的桿塔檔距為450 m；L2表示管道與輸電線路交叉部分長度；L3表示管道兩端向遠方延伸長度。

圖2 500 kV輸電線路與管道交叉時的電磁影響仿真模型Fig.2 Simulation model of electromagnetic influence with 500 kV transmission line crossing pipeline

2 不同因素對輸電線路與油氣管道間電磁干擾的影響

2.1 管道交叉跨越長度的影響

為了研究管道交叉跨越長度對油氣管道電磁干擾的影響，本節中架空線路與油氣管道間夾角θ=15°，土壤電阻率為100 Ω·m，管道外徑、壁厚、埋深、防腐層設置為默認值，管道交叉跨越長度L2分別為2 km、4 km、6 km、8 km和10 km。管道感應電壓、涂層耐受電壓、交流電流密度的仿真結果如圖3所示。由圖3的仿真結果可知：管道感應電壓、涂層耐受電壓以及交流電流密度的最大值均位于模型交叉點，且管道交叉跨越長度對上述各參數的沿線分布具有顯著影響;上述參數的最大值隨著管道長度的增加而增加，但增長幅度逐漸下降。

2.2 交叉夾角的影響

本節計算分析了線路-管道交叉夾角θ對管道電磁干擾的影響，取θ為15°～90°，交叉跨越長度L2=6 km，管道感應電壓、涂層耐受電壓、交流電流密度的仿真結果如圖4所示。

由圖4的仿真結果可知，管道干擾電壓源于線路與管道間的感性耦合，隨平行于輸電線路的管道等效長度的增大而增大。因此，涂層耐受電壓、管道感應電壓以及交流電流密度均隨交叉夾角θ的增大而減小?？梢姡徊鎶A角θ對管道的電磁干擾影響較大，工程中可通過增大角度θ有效減小線路對埋地管道的電磁干擾，實際工程中建議采用垂直交叉方式進行施工。

2.3 土壤參數的影響

2.3.1單層均勻土壤結構

為了研究土壤電阻率對管道電磁干擾的影響，取土壤電阻率分別為100Ω·m、200Ω·m、500Ω·m、1000Ω·m和2000Ω·m，交叉夾角θ=15°，其他參數選擇默認值。管道感應電壓、涂層耐受電壓、交流電流密度仿真結果如圖5所示。

由圖5的仿真結果可知：隨著土壤電阻率的增大，管道感應電壓無明顯變化，涂層耐受電壓有小幅下降，交流電流密度減??；在不同土壤電阻率下，管道感應電壓、涂層耐受電壓及交流電流密度本身數值變化非常小，可忽略土壤電阻率對管道電磁干擾的影響。

2.3.2土壤分層結構

本節采用三種土壤結構，具體土壤結構參數見表2。分層土壤結構下的管道感應電壓、涂層耐受電壓和交流電流密度的計算結果如圖6所示。

表2 土壤結構類型Tab.2 Types of soil structures

由圖6的仿真結果可知：與均勻土壤電阻率所得結論一致，土壤分層類型對管道感應電壓影響不明顯；分層結構B和C的電流密度曲線重合，并且明顯小于分層結構A的；而管道感應電壓、涂層耐受電壓及交流電流密度本身數值變化非常小，可忽略土壤結構對管道電磁干擾的影響。

2.4 導線平均高度的影響

為了分析導線平均高度對管道電磁干擾的影響規律，在其他參數保持不變的前提下，選取導線平均高度為22m、24m、26m、28m和30m(在此忽略弧垂)。管道感應電壓、涂層耐受電壓和交流電流的變化規律如圖7所示。

由圖7的仿真結果可知：由于導線平均高度僅影響輸電線路與埋地管道的感性耦合，所以在感性耦合距離最近的位置即線路和管道的交叉點處各參數變化較大；遠離交叉點的管道段與線路的距離較大，導線平均高度基本不影響管道上的電磁干擾。

2.5 導線負荷電流的影響

為了分析導線負荷電流對管道電磁干擾的影響，保持其他參數不變，負荷電流分別取1.2kA、1.4kA、1.6kA和1.8kA進行仿真，管道感應電壓、涂層耐受電壓和交流電流的仿真結果如圖8所示。

由圖8的仿真結果可知：隨著導線負荷電流增大，管道感應電壓、涂層耐受電壓以及交流電流密度在管道全線范圍內均明顯增大；輸電線路負荷電流由1.2 kA增大至1.8 kA，管道感應電壓提高約6.70 V，涂層耐受電壓提高約6.66 V，交流電流密度提高約0.02 A/m2，各參數值均提高約50%。可見，負載電流對管道的電磁干擾有較大影響。

2.6 管道涂層電阻率的影響

為了分析管道涂層電阻率對電磁干擾的影響，保持其他參數不變，選取涂層電阻率為102～106Ω·m，仿真結果如圖9所示。

由圖9的仿真結果可知：涂層電阻率從102Ω·m增長至104Ω·m時，管道感應電壓增加了5.40 V，涂層耐受電壓增加了12.88 V，交流電流密度增加了0.04 A/m2；涂層電阻率從104Ω·m增長至106Ω·m時上述三者的變化幅度明顯減小。由于交流電流密度反映泄漏電流，而交流電流密度是根據涂層耐受電壓得來，涂層兩側電勢差減小勢必造成交流電流密度減小。實際上低電阻率涂層不能有效阻擋從管道流至大地的電流，導致管道流經涂層泄入大地的縱向電流增大，而高電阻率的涂層例如3層PE涂層耐受電壓較高，減弱了電解電池模型造成的管道腐蝕，更有利于保護管道。

2.7 接地裝置材料的影響

輸電線路在正常運行時會對自身桿塔金屬體和接地裝置等產生感性耦合，經由接地裝置向大地散流會影響鄰近埋地管道。為了分析接地裝置材料對電磁干擾的影響，分別選擇桿塔接地裝置的材料為φ10mm圓鋼、φ10 mm銅、φ30 mm柔性石墨復合材料，管道感應電壓、涂層耐受電壓和交流電流的仿真結果如圖10所示。

由圖10的仿真結果可知：正常運行的輸電線路其接地裝置材料對管道感應電壓、涂層耐受電壓和交流電流密度基本無影響。實際接地工程中接地材料的選型更多考慮接地體的散流特性、施工難度、材料成本等因素，綜合選擇合適的接地材料。

3 結論

本文研究了500 kV輸電線路與油氣管道交叉跨越正常運行情況下線路-管道夾角大小、管道交叉跨越部分的長度、土壤參數、導線負荷電流、導線平均高度、管道涂層電阻率以及接地裝置材料對管道電磁干擾的影響規律，并得到如下結論：

1)輸電線路-管道交叉跨越工況下，埋地金屬管道的感應電壓、涂層電壓及管道電流密度沿埋地金屬管道方向呈“W”型變化規律。

2)線路-管道交叉跨越長度對電磁干擾有影響，隨著管道和線路長度的增大而增大，影響程度越來越?。痪€路-管道夾角θ對電磁干擾影響程度較大，θ=90°時管道涂層電壓和交流電流趨近于零，實際工程建議采用垂直交叉方式進行施工。隨著導線負荷的增大，管道沿線電磁干擾均明顯增大。

3)土壤參數、導線高度和管道涂層對電磁干擾有一定的影響，但是總體來說影響較小，研究時可以簡化或忽略；接地裝置材料對輸電線路正常運行時的電磁干擾幾乎不產生影響，實際工程中可以根據接地材料的技術經濟性進行選材。